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1 新型干法水泥熟料煅燒工藝過程
1.1 水泥熟料的形成過程
水泥熟料的形成過程，是對(duì)合格的水泥生料進(jìn)行煅燒，使其連續(xù)被加熱，
經(jīng)過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，形成熟料，再進(jìn)行冷卻的過程。
生料在加熱過程中，依次發(fā)生干燥、粘土礦物脫水、碳酸鹽分解、固相
反應(yīng)、熟料燒結(jié)及熟料冷卻結(jié)晶等重要的物理化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)過程的反
應(yīng)溫度、反應(yīng)速度及反應(yīng)產(chǎn)物不僅受原料的化學(xué)成分和礦物組成的影響，還
受反應(yīng)時(shí)的物理因素諸如生料粒徑、均化程度、氣固相接觸程度等的影響。
1.1.1 干燥
排除生料中自由水分的工藝過程稱為干燥。
生料都含有一定量的自由水分，隨著溫度的升高，物料中的水分被蒸發(fā)，
當(dāng)溫度升高到100～150℃時(shí)，生料中的自由水分全部被排除，這一過程稱為
干燥過程。新型干法水泥生料水分小于1%，在預(yù)熱器內(nèi)瞬間完成。
1.1.2 脫水
脫水是指粘土礦物分解放出化合水。
粘土礦物的化合水有兩種：一種是以O(shè)H 一 離子狀態(tài)存在于晶體結(jié)構(gòu)中，
稱為晶體配位水(也稱結(jié)構(gòu)水)；另一種是以水分子狀態(tài)吸附于晶層結(jié)構(gòu)間，
稱為晶層間水或?qū)娱g吸附水。所有的粘土都含有配位水；多水高嶺土、蒙脫
石還含有層間水；伊利石的層間水因風(fēng)化程度而異。層間水在100℃左右即
可排除，而配位水則必須高達(dá)400～600℃以上才能脫去。
粘土中的主要礦物高嶺土發(fā)生脫水分解反應(yīng)如下式所示：
Al2O3
2SiO2
2H20
Al203
2SiO2 + 2H2O↑
高嶺土 無水鋁硅酸鹽(偏高嶺土) 水蒸氣
Al203
2SiO2
Al203 + 2SiO2
高嶺土進(jìn)行脫水分解反應(yīng)屬吸熱過程。高嶺土在失去化合水的同時(shí)，本身
晶體結(jié)構(gòu)遭受破壞，生成了非晶質(zhì)的無定形偏高嶺土(脫水高嶺土)，由于偏高嶺
土中存在著因

OH 一 基跑出后留下的空位，故可以把它看成是無定型的 SiO2 和
Al2O3，這些無定形物具有較高活性。
1.1.3 碳酸鹽分解
生料中的碳酸鈣和夾雜的少量碳酸鎂在煅燒過程中分解并放出CO2 的過程稱
碳酸鹽分解。
碳酸鎂的分解溫度始于402～480℃左右，最高分解溫度700℃左右；碳酸鈣
在 600℃時(shí)就有微弱分解發(fā)生，但快速分解溫度在 812～928℃之間變化。MgCO3
在590 ℃、CaCO3 在890℃時(shí)的分解反應(yīng)式如下：
MgC03
MgO + CO2↑－(1047～1 214)J/g
CaC03
CaO + CO2↑－1645 J/g
其中，碳酸鈣在水泥生料中所占比例80%左右，其分解過程需要吸收大量的
熱，是熟料煅燒過程中消耗熱量最多的一個(gè)過程，因此，它是水泥熟料煅燒過程
重要的一環(huán)。
1.1.3.1 碳酸鈣分解反應(yīng)的特點(diǎn)
1．可逆反應(yīng)
2．強(qiáng)吸熱反應(yīng)
每1 kg純碳酸鈣在890℃時(shí)分解吸收熱量為1645J/g，是熟料形成過程中消
耗熱量最多的一個(gè)工藝過程。分解所需總熱量約占預(yù)分解窯的二分之一。
3．燒失量大
每100 kg的純CaCO３分解后排出揮發(fā)性CO２氣體44 kg，燒失量占44%。
4．分解溫度與CO 2 分壓和礦物結(jié)晶程度有關(guān)
在常壓(101325 Pa)和分解出
的CO 2 分壓達(dá)1個(gè)大氣壓(即平衡
分解壓力101325Pa) 的環(huán)境
中，純碳酸鈣的分解溫度為
800℃。平衡分壓增大，分解
溫度增高，環(huán)境C02 的濃度和
壓力對(duì)碳酸鈣分解溫度的影響見
圖1-1所示
1.1.3.2、 碳酸鈣的分解過程
一顆正在分解的CaCO3 顆粒，顆粒內(nèi)部的分解反應(yīng)可分為下列5個(gè)過程：
①熱氣流向顆粒表面?zhèn)鬟M(jìn)分解所需要的熱量Qi；
②熱量以傳導(dǎo)方式由表面向分解面?zhèn)鬟f的過程；
③在一定溫度下碳酸鈣吸收熱量，進(jìn)行分解并放出CO2 的化學(xué)過程；
④分解放出的CO2，穿過CaO層，向表面擴(kuò)散傳質(zhì)；
⑤表面的CO2 向周圍氣流介質(zhì)擴(kuò)散。
在這5個(gè)過程中，有4個(gè)是物理傳熱傳遞過程，唯獨(dú)碳酸鈣吸收熱量分解放
出CO2 的過程是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程。 在顆粒開始分解與分解面向顆粒內(nèi)部深入時(shí)，
各過程對(duì)分解的影響程度不相同，哪個(gè)過程最慢，哪個(gè)便是主控過程。即碳酸鈣
的分解速度受控于其中最慢的一個(gè)過程。
分解速度或者分解所需的時(shí)間將決定于化學(xué)反應(yīng)所需時(shí)間，即反應(yīng)生成的
CO2 通過表面CaO層的擴(kuò)散是整個(gè)碳酸鈣分解過程中的速度控制過程。
在懸浮預(yù)熱器和分解爐內(nèi)，由于生料懸浮于氣流中，基本上可以看作是單
顆粒，其傳熱系數(shù)較大，特別是傳熱面積非常大，分解過程的速率受化學(xué)反應(yīng)
過程所控制。在分解爐(物料溫度850℃左右)，只需幾秒鐘即可使碳酸鈣分解
率達(dá)到85%～95%。
1.1.3.3、 影響碳酸鈣分解速度的因素
1．石灰質(zhì)原料的特性
以最常見的石灰石為例，當(dāng)石灰石中伴生有其他礦物和雜質(zhì)一般具有降
低分解溫度的作用，
2．生料細(xì)度和顆粒級(jí)配
生料粉磨得細(xì)，且顆粒均勻、粗粒少，生料比表面積增加，使傳熱和傳質(zhì)
速度加快，有利于分解反應(yīng)進(jìn)行。
3．生料懸浮分散程度
生料懸浮分散差，相對(duì)地增大了顆粒尺寸，減少了傳熱面積，降低了碳酸
鈣的分解速度。
4．溫度
提高反應(yīng)溫度，分解反應(yīng)的速度加快，分解時(shí)間縮短。但應(yīng)注意溫度過高，
將增加廢氣溫度和熱耗，預(yù)熱器和分解爐結(jié)皮、堵塞的可能性亦大。
5．系統(tǒng)中CO2分壓
通風(fēng)良好CO2 分壓較低，有利于CO2 的擴(kuò)散和加速碳酸鈣的分解。
6．生料中粘土質(zhì)組分的性質(zhì)
如果粘土質(zhì)原料的主導(dǎo)礦物是高嶺土，由于其活性大，在800℃下能和氧
化鈣或直接與碳酸鈣進(jìn)行固相反應(yīng)，生成低鈣礦物，可以促進(jìn)碳酸鈣的分解過
程。反之，如果粘土主導(dǎo)礦物是活性差的蒙脫石和伊利石，則CaCO3的分解速度
就慢。
1.1.4、固相反應(yīng)
1.1.4.1、反應(yīng)過程
通常在碳酸鈣分解的同時(shí)，分解產(chǎn)物CaO與生料中的SiO2、Fe2O3、Al2O3等通
過質(zhì)點(diǎn)的相互擴(kuò)散而進(jìn)行固相反應(yīng)，形成熟料礦物。固相反應(yīng)的過程比較復(fù)
雜，其過程大致如下：
～800℃ CaO+ Al2O3
CaO•Al2O3 (CA)
Ca0+Fe2O3
CaO•Fe2O3 (CF)
2Ca0+ Si02
2CaO•Si02 (C2S)開始形成
800～900℃ 7(CaO•Al2O3)+5CaO
12CaO•7Al2O3 (C12A7)
900～1100℃ 2CaO+Al2O3+Si02
2CaO•Al2O3•Si02 (C2AS)形成后又分解
12CaO•7 Al2O3+9CaO——7(3CaO•Al2O3)      (C3A)開始形成
7(2CaO•Fe2O3)+2CaO+12CaO•7 Al2O3
7(4CaO•Al2O3•Fe2O3)
(C4AF)開始形成
1100～l200℃ 大量形成C3A和C4AF，C2S含量達(dá)最大值。
水泥熟料礦物C3A和C4AF、C2S的形成是一個(gè)復(fù)雜的多級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)過程是交
叉進(jìn)行的。水泥熟料礦物的固相反應(yīng)是放熱反應(yīng)，固相反應(yīng)的放熱量約為420～
500J/g。
固相反應(yīng)通常需要在較高溫度下進(jìn)行， 影響固相反應(yīng)的主要因素主要有以下
幾點(diǎn)：
（1）生料細(xì)度及均勻程度
生料的均勻混合，使生料各組分之間充分接觸，有利固相反應(yīng)進(jìn)行。
（2）原料性質(zhì)
當(dāng)原料中含有結(jié)晶 Si02 (如燧石、石英砂)和結(jié)晶方解石時(shí)，由于破壞其晶
格困難，晶體內(nèi)的分子很難離開晶體而參加反應(yīng)，所以使固體反應(yīng)的速度明顯降
低，特別是原料中含有粗顆粒石英砂時(shí)，其影響更大。因此，在原料選擇時(shí)，力
求避免采用粗晶石英，如不得已而必須使用時(shí)，可將其單獨(dú)粉磨，務(wù)求配制粉磨
能耗最低但反應(yīng)活性良好的生料顆粒級(jí)配。
（3）溫度
提高反應(yīng)溫度，質(zhì)點(diǎn)能量增加，增加了質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散速度和化學(xué)反應(yīng)速度，
可加速固相反應(yīng)。
1.1.5、熟料燒結(jié)
當(dāng)物料溫度升高到最低共熔溫度后，固相反應(yīng)形成的鋁酸鈣和鐵鋁酸鈣熔
劑性礦物及氧化鎂、堿等熔融成液相。在高溫液相作用下，固相硅酸二鈣和氧化
鈣都逐步溶解于液相中， 硅酸二鈣吸收氧化鈣形成硅酸鹽水泥的主要礦物—硅酸
三鈣，其反應(yīng)式如下：
C2S + Ca0
C3S
隨著溫度的升高和時(shí)間延長，液相量增加,液相粘度降低，氧化鈣、硅酸二
鈣不斷溶解、擴(kuò)散，硅酸三鈣晶核不斷形成，并逐漸發(fā)育、長大，最終形成幾十
微米大小、發(fā)育良好的阿利特晶體。與此同時(shí)，晶體不斷重排、收縮、密實(shí)化，
物料逐漸由疏松狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯珴苫液凇⒔Y(jié)構(gòu)致密的孰料，我們稱以上過程為熟料
的燒結(jié)過程，簡稱熟料燒結(jié)。
在配合生料適當(dāng)，生料成分穩(wěn)定的條件下，硅酸鹽水泥熟料在1250～1280
℃開始出現(xiàn)液相，1300℃左右時(shí) Ca0 和 C2S 溶入液相中開始大量生成 C3S，這一
過程也稱為石灰吸收過程。一直到 1450℃液相量繼續(xù)增加，游離氧化鈣被充分
吸收。故通常把 1300～1450～1300℃稱為熟料的燒結(jié)溫度。在此溫度范圍內(nèi)大
致需要10～20 min完成熟料燒結(jié)過程。
1.1.5.1、影響熟料燒結(jié)過程的因素
由上述過程可知，熟料的燒結(jié)在很大程度上取決于液相含量及其物理化學(xué)
性質(zhì)。因此，控制液相出現(xiàn)的溫度、液相量、液相粘度、液相表面張力和氧化鈣、
硅酸二鈣溶于液相的速率，并努力改善它們的性質(zhì)至關(guān)重要。
1．最低共熔溫度
液相出現(xiàn)的溫度決定于物料在加熱過程中的最低共熔溫度。而最低共熔溫
度決定于系統(tǒng)組分的性質(zhì)與數(shù)目。表1-1列出了一些系統(tǒng)的最低共熔溫度。
由表1-1可知，系統(tǒng)組分?jǐn)?shù)目越多，其最低共熔溫度越低，即液相初始出現(xiàn)
的溫度越低。
2．液相量
熟料的燒結(jié)必須要有一定數(shù)量的液相。液相是硅酸三鈣形成的必要條件，適
宜的液相量有利于C3S形成，并保證熟料的質(zhì)量。液相量太少，不利于C3S形成，
反之，過多的液相易使熟料結(jié)大塊，給煅燒操作帶來困難。
液相量與組分的性質(zhì)、含量及熟料燒結(jié)溫度等有關(guān)。因此，不同的生料成
分與煅燒溫度等對(duì)液相量有很大影響。一般水泥熟料燒成階段的液相量大約為
20%～30%。
(1)液相量與煅燒溫度、組分含量有關(guān)，根據(jù)硅酸鹽物理化學(xué)原理，不同溫
度下形成的液相量可按下式計(jì)算：
①煅燒溫度為1338℃時(shí)：
IM>1.38    L=6.1F               (1.1)
IM<1.38 L=8.2A-5.22F         (1.2)
②煅燒溫度為1400℃和1450℃時(shí):
1400℃ L=2.95A+2.5F+M+R     (1.3)
1500℃ L=3.0A+2.2F+M+R      (1.4)
式中L——液相量(％)；
F——熟料中Fe2O3。的含量(％)；
A——熟料中Al2O3 的含量(％)；
M、R——MgO及(Na20+K20)的含量(％)。
表1-1 一些系系統(tǒng)最低共熔溫度
系 統(tǒng) 最低共熔溫度
(℃) 系 統(tǒng) 最低共熔
溫度(℃)
C3S-C2S-C3A 1455 C3S-C2S-C3A ?CC4AF 1338
C3S-C2S-C3A -Na2O 1430 C3S-C2S-C3A -Na2O -Fe203 1315
C3S-C2S-C3A -MgO 1375 C3S-C2S-C3A -Fe203 -MgO 1300
C3S-C2S-C3A-Na2O-MgO 1365 C3S-C2S-C3A-Na2O-MgO -Fe203 1280
(2)液相量隨熟料中鋁率而變化， 一般硅酸鹽水泥在煅燒階段的液相量隨鋁
率和溫度的變化情況見表1-2所示。
生產(chǎn)中，應(yīng)合理設(shè)計(jì)熟料化學(xué)成分與率值，控制煅燒溫度在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?
內(nèi)。 這個(gè)范圍大體上是出現(xiàn)燒結(jié)所必需的最少的液相量時(shí)的溫度到出現(xiàn)結(jié)大塊時(shí)
的溫度之間，即通常所說的燒結(jié)范圍。就硅酸鹽水泥而言，燒結(jié)范圍約150℃左
右。當(dāng)系統(tǒng)液相量隨溫度升高而緩慢增加，其燒結(jié)范圍就較寬；反之，其燒結(jié)范
圍就窄。
3．液相粘度
液相粘度對(duì)硅酸三鈣的形成影響較大。粘度小，液相中質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散速度增
加，有利于硅酸三鈣的形成。而液相的粘度又隨溫度與組成(包括少量氧化物)
而變化。提高溫度，液相內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能增加，削弱了相互間作用力，因而降低了
液相粘度。
提高鋁率時(shí)，液相粘度增大，而降低鋁率則液相粘度減少。
MgO、SO3 的存在可使液相粘度降低。Na2O、K2O 使液相粘度增大,而 Na2SO4
或K2SO4 則使液相粘度降低。
4．液相的表面張力
液相的表面張力愈小， 愈易
潤濕固相物質(zhì)或熟料顆粒， 有利
于固液反應(yīng)，促進(jìn)C3S的形成。
5．氧化鈣和硅酸二鈣溶于
液相的速率
C3S的形成過程也可以視為
CaO 和 C2S 在液相中的溶解過
程。CaO和C2S的溶解速率大，
C3S的成核與發(fā)育越快。因此，
要加速C3S的形成實(shí)際上就是提高CaO與C2S的溶解速率， 而這個(gè)速率大小受CaO
顆粒大小和液相粘度所控制。表1-3為實(shí)驗(yàn)室條件下，不同粒徑CaO在不同溫度
表1-2熟料中液相量隨鋁率和溫度的變化情況
IM=AI2O3/Fe2O3
溫度(℃) 2.0 1.25 0.64
1338 18.3 21.1 0
1400 24.3 23.6 22.4
1450 24.8 24.0 22.9
表1-3 CaO溶于液相所需的時(shí)間(min )
粒徑(mm)
溫度
(℃) 0.1 0.05 0.025 0.001
1340 11.5 59 25 12
1375 28 14 6 4
1400 15 5.5 3 1.5
1450 5 2.3 1 0.5
1500 1.8 1.7
下完全溶于液相所需的時(shí)間。
1.1.6、熟料冷卻
1.1.6.1、熟料冷卻過程及目的
熟料燒結(jié)過程完成之后，C 3 S的生成反應(yīng)結(jié)束，熟料從燒成溫度開始下降至
常溫，熔體晶化、凝固，熟料顆粒結(jié)構(gòu)形成，并伴隨熟料礦物相變的過程稱為熟
料的冷卻。
冷卻的目的在于：改善熟料質(zhì)量與易磨性；降低熟料溫度，便于熟料的運(yùn)
輸、儲(chǔ)存和粉磨；部分回收熟料出窯帶走的熱量，預(yù)熱二、三次空氣，從而降低
熟料熱耗，提高熱利用率。
1.1.6.2、熟料冷卻速度對(duì)熟料質(zhì)量的影響
熟料冷卻的速度影響著熟料的礦物組成、結(jié)構(gòu)以及易磨性。冷卻速度
不同，所得到的熟料礦物組成與性能也會(huì)不同。
如果以18～20℃/min左右的急速降溫速率對(duì)熟料進(jìn)行冷卻時(shí)，則可以發(fā)
現(xiàn)C3S的分解、C2S的轉(zhuǎn)化、過大的方鎂石晶體及全部的C3A、C4AF結(jié)晶態(tài)不復(fù)存
在，即急速降溫速率(急冷)優(yōu)于緩慢冷卻(慢冷)。
1.1.6.3、急冷對(duì)改善熟料質(zhì)量的作用
1．防止或減少C3S的分解
2．避免β-C2S轉(zhuǎn)變成γ-C2S
3．改善了水泥安定性
4．使熟料C3A晶體減少，提高水泥抗硫酸鹽性能
5．改善熟料易磨性
6．可克服水泥瞬凝或快凝
1.2 水泥熟料的形成熱
1.2.1水泥熟料形成熱的概念
熟料的形成熱，是指在一定的生產(chǎn)條件下，用某一基準(zhǔn)溫度(一般是 0℃或
20℃)的干燥物料，在沒有任何物料損失和熱量損失的條件下，制成 1kg 同溫度
的熟料所需要的熱量(熟料形成熱效應(yīng))。
因此，熟料的形成熱就是熟料形成在理論上消耗的熱量，它僅與原、燃料的
品種、性質(zhì)及熟料的化學(xué)成分和礦物組成、生產(chǎn)條件等因素有關(guān)。
1.2.2水泥熟料形成熱的計(jì)算方法
水泥熟料在形成過程中發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，有些是吸熱反應(yīng)．有些是
放熱反應(yīng)，將全過程的總吸熱量，減去總的放熱量，并換算為每生成1kg熟料所
需要的凈熱量就為熟料的形成熱。
現(xiàn)以 20℃為計(jì)算的溫度基準(zhǔn)。生成 1kg 熟料需理論生料量約為 1.55kg。在
一般原料的情況下，根據(jù)物料在反應(yīng)過程中的化學(xué)反應(yīng)熱和物理熱，可計(jì)算出生
成1kg普通硅酸鹽水泥熟料的理論熱耗(見表 l-4)。
表 l-4水泥熟料形成熱
吸收熱量 kJ/kg-
ck % 放出熱量 kJ/kg-
ck %
干物料自20℃加熱到450℃吸熱 697 16.4 黏土無定形物質(zhì)結(jié)晶放熱 41 1.6
黏土脫水吸熱 164 3.9 熟料礦物形成放熱 410 16.4
脫水物料由450℃加熱到900℃吸熱 800 18.9 熟料由1400℃冷至20℃放熱 1476 59.0
碳酸鹽分解吸熱 1948 46.0 CO2 由900℃冷至20℃放熱 492 19.7
剩余物料由 900℃加熱到 1400℃吸
熱 523 12.4 水汽自450℃冷至20℃放熱 82 3.3
形成液相吸熱 103 2.4 合計(jì) 2501 100
合計(jì) 4235 100 Q=4235-2501=1734(kJ/kg-ck)
由此可見，生成1kg熟料理論上所需的熱量約為1734kJ/kg-ck，而碳酸鹽分
解所需的熱量占熟料形成熱的 46.0％，故提高熱的利用率應(yīng)從碳酸鹽的分解著
手，采取有效措施，降低熟料的單位熱耗。熟料冷卻放出的熱量占熟料形成過程
中放出熱量的59.0％，回收熟料中的熱量對(duì)降低熟料熱耗也是十分重要的。
此外，熟料的形成熱還可用下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：
Q 形=G 干(4.5A12O3+29.6CaO+17MgO)－284
式中 Q 形——熟料形成熱，kJ／kg ck；
G 干——生成1lkg熟料所需理論干生料量，kg；
A12O3，CaO，MgO——生料中各氧化物含量，%。
在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)1kg熟料所需的熱量稱為熟料的單位熱耗，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于
熟料的形成熱，目前熱利用率比較高的生產(chǎn)廠，其熟料的單位熱耗也在 3000kJ
／kg-ck以上，所以水泥生產(chǎn)的熱效率是較低的，一般只有30%～40％左右。若
能提高水泥生產(chǎn)的熱效率,對(duì)水泥工業(yè)將是一個(gè)大的貢獻(xiàn)。
1.3 新型干法水泥熟料煅燒工藝過程